ATEŞLEME AVANSININ MOTOR PERFORMANSINA VE EGZOZ EMİSYONLARINA ETKİLERİNİN SAYISAL OLARAK İNCELENMESİ

Transkript

1 ATEŞLEME AVANSININ MOTOR PERFORMANSINA VE EGZOZ EMİSYONLARINA ETKİLERİNİN SAYISAL OLARAK İNCELENMESİ Ahmet Alper YONTAR, Emrah KANTAROĞLU, Yahya DOĞU Kırıkkale Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, 7145, Yahşihan, Kırıkkale, Türkiye Özet Bu çalışmada; ateşleme avansı değişiminin motor performansına ve egzoz emisyonuna etkileri sayısal olarak incelenmiştir. İzo-oktan yakıtlı, buji ateşlemeli, dört silindirli bir motorun yanma odası ile ilgili tüm bileşenleri (emme-egzoz manifold bağlantıları, emme-egzoz supapları, silindir, silindir kafası, piston, buji) dikkate alınarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile modellenmiştir. Modelde ateşleme avansını belirleyen krank mili açısı değiştirilerek, bu değişimin sıkıştırma ve genişleme zamanları üzerindeki etkileri incelenmiştir. Ayrıca, nihai etki olarak ateşleme avansının motor performans parametrelerinden olan indike güce etkisi ve egzoz emisyonlarına etkisi değerlendirilmiştir. Analizlerde motorun devir sayısı, sıkıştırma oranı ve hava-yakıt karışım oranı sabit tutularak en uygun ateşleme avansı belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler Ateşleme Avansı, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, Yanma Modellemesi, Motor Performansı, Egzoz Emisyonu Oluşumu Abstract In this study, the effects of the ignition advance angle variation on engine performance and exhaust emissions have been numerical investigated. The combustion chamber of a four-cylinder spark plug ignited engine fueled with isooctane is modeled with computational fluid dynamics by considering all related components (intake and exhaust manifold connections, intake and exhaust valves, cylinder, cylinder head, piston, spark plug). The effects of the ignition advance time determined by the crankshaft angle on compression and expansion strokes have been investigated by using the model. In addition, as the final impact, the ignition advance time is evaluated in terms of resulting engine performance parameters of indicated power and exhaust emissions. The optimum value of ignition advance time is determined for a constant set of engine speed, compression ratio and the air-fuel mixture ratio. Keywords Ignition Advance Time, Computational Fluid Dynamics, Combustion Modelling, Engine Performance, Exhaust Emissions Formation 1. GİRİŞ Her geçen gün ilerleyen teknolojinin etkileri otomotiv sektöründe de görülmektedir. Otomotiv sahasında; araç yapısı, araç kontrol sistemleri, aktarma organları ve araç motorları üzerine birçok çalışma gerçekleştirilmekte ve bu alanlarda yeni Ar-Ge yatırımları yapılmaktadır. Araç motorları ile ilgili yapılan çalışmalar nihai etki olarak motor performansı ve motor emisyonları üzerine yoğunlaşmaktadır ve her geçen gün artan bir ivme ile sürmektedir. İçten yanmalı motorlar ile ilgili deneysel araştırma çalışmaları yüksek maliyetler gerektirdiğinden modelleme çalışmalarının önemi giderek artmaktadır. İçten yanmalı motorların performans ve egzoz emisyon testleri modelleme yazılımları ile yüksek doğrulukta gerçekleştirilebilmekte ve elde edilen sonuçlar yeni teknolojilerin geliştirilmesine imkan sağlamaktadır. Modelleme yazılımları ile birçok parametrenin nihai olarak motor performansına ve egzoz emisyonlarına etkileri incelenebilmektedir. Bu parametrelere örnek olarak: yükleme şartları, sıkıştırma oranı, yanma mekanizmaları, alternatif yakıt ilaveleri, alternatif yakıt kullanımı, yanma odası geometrileri, vb. sayılabilir. Bu çalışmada ise, ateşleme avansı değişiminin motor performansına ve egzoz emisyonuna etkileri incelenmiştir.

2 Literatürde bu konuda çeşitli kapsam ve yaklaşımlarla yapılmış sayısal ve deneysel çalışmalar bulunmaktadır. Salimi ve ark. [1], zengin karışımlar üzerinde supap zamanlamalarının ve ateşleme zamanlamasının değişiminin motor performansı ve emisyonlarına etkilerini deneysel ve sayısal olarak incelemişlerdir. Çalışmada, 1-4 d/dk aralığında ve üst ölü noktadan º - 4º KMA () avans değerleri için güç değerlerini ve azotoksit değerlerini elde etmişlerdir. Düşük devir sayıları için ateşleme avansının üst ölü noktaya yaklaşmasının motor performansına etkilerinin düşük olduğu, fakat devir sayısı arttıkça etkin performans için ateşleme avansının arttırılması gerektiği üzerinde durulmuştur. Artan ateşleme avansının silindir içi sıcaklık değerini arttırdığını ve bu durumun azotoksit emisyonunu artırdığını tespit etmişlerdir. Raine ve ark. [2], buji ateşlemeli motorlarda azotoksit oluşumu üzerine modelleme ve ateşleme avansının etkilerini inceleyen bir araştırma gerçekleştirmişlerdir. Azotoksit oluşumlarını incelemek için çok bölgeli yanma modeli geliştirmişler ve tek bölgeli yanma modeline göre daha hassas sonuçlar elde etmişlerdir. Azotoksit ölçüm testlerini; 15 d/dk hızda, tam yük koşulunda, tabi emmeli buji ateşlemeli motorda doğal gaz kullanarak değişik ateşleme avansı ve değişik hava-yakıt karışımı oranları için gerçekleştirmişlerdir. Sundukları modelden elde ettikleri sonuçlar ile test motorundan ölçülen sonuçları karşılaştırmışlardır. Hava fazlalık katsayısı ateşleme avansı değişiminin azotoksit oluşumu üzerindeki etkilerini tek bölgeli yanma modelinden başlayarak çok bölgeli yanma modellerine kadar değerlendirmede bulunmuşlardır. Geliştirdikleri model için stokiometrik karışım oranlarına yakın karışım oranlarında minimum ateşleme avansı için en yüksek tork değerini elde etmişlerdir. Erkuş ve ark. [3], tam yükleme koşullarında ateşleme avansının etkilerini deneysel olarak incelemişlerdir. Testler 43 d/dk devir sayısında, hava fazlalık katsayılarında, LPG dönüşümü yapılmış buji ateşlemeli bir motorda gerçekleştirilmiştir. Testlerin sonucunda güç, tork, özgül yakıt sarfiyatı ve egzoz emisyonu değerleri ölçülmüştür. Ateşleme avansının efektif güç, hacimsel verim, özgül yakıt sarfiyatı ve termik verim üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir. Gelişmiş ateşleme zamanının tespit edilmesinin LPG kullanımında motor performansını, özellikle de.8 hava fazlalık katsayısı değeri için motor performansını arttırdığını tespit etmişlerdir. Testlerinin sonucunda en yüksek efektif güç ve en düşük yakıt sarfiyatını hava fazlalık katsayısının 1 olduğu testler, en düşük egzoz emisyonlarını ise hava fazlalık katsayısının 1.3 olduğu testler için elde etmişlerdir. Chan ve Zhu [4], karbüratörlü buji ateşlemeli bir motorda, yüksek ateşleme avansı için termodinamik incelemelerde ve modellemelerde bulunmuşlardır. Silindir içi basınç değişimi ve supapların pozisyonlarına göre egzoz gazı sıcaklık değişimini incelenmişlerdir. Ateşleme avansındaki değişimin silindir basıncı ve indikatör diyagramındaki etkisini değerlendirmişlerdir. Yine ateşleme avansındaki artışın silindir içi gaz sıcaklığına etkilerini termodinamik açıdan incelemişlerdir. Ateşleme avansı arttıkça basınç düşüşünü ve net iş oluşumundaki azalışı termodinamik bağıntılarla ortaya koymuşlardır. Gürbüz ve Akçay [5], azotoksit emisyonu ve motor performans parametreleri üzerinde sıkıştırma oranı ve ateşleme avansı değişimlerinin etkilerini araştırmışlardır. Deneysel olarak gerçekleştirdikleri çalışmalarında, buji ateşlemeli motor kullanıp testleri tam yük altında gerçekleştirmişlerdir. Silindir içi basınç ölçümlerini kullanarak performans parametrelerini elde etmişlerdir. Yanma süresinin değişimine göre azot oksit emisyonunun değişimini incelemişlerdir. Sonuç olarak aşırı ateşleme avansının motor performansını düşürdüğünü tespit etmişlerdir. Topgül ve ark. [6], tek silindirli, dört zamanlı, buji ateşlemeli bir motorda hava fazlalık katsayısı, ateşleme avansı, sıkıştırma oranı ve motor giriş havası sıcaklığını değiştirirerek, bu değişimlerin egzoz emisyonları üzerindeki etkilerini incelemişlerdir. Gerçekleştirilmiş olan deneysel çalışmanın sonucunda; ateşleme avansı artışının CO emisyonlarının azalmasına neden olduğunu, 3º KMA na kadar olan ateşleme avansındaki artışın HC emisyonlarını arttırdığını tespit etmişlerdir. Choi ve ark. [7], buji ateşlemeli ve direkt yakıt püskürtme sisteminin kullanıldığı bir motorda Star- CD/ES-ICE yazılımını kullanarak ikincil alev ve karışım oranlarının silindir-içi laminer alev üzerindeki etkilerini sayısal olarak irdelemişlerdir. İzo-oktanın yakıt olarak kullanıldığı bu sayısal çalışmada, laminer alev hızları için yeni korelasyonların kullanıldığı yeni bir katmanlı yanma modeli oluşturmuşlardır. Silindir içi katmanlı karışım miktarının, alev yayılma hızı ve yapısı ile difüzyon alev bölgelerini etkilediği araştırmacılar tarafından tespit edilmiştir. Malaguti ve Fontanesi [8], buji ateşlemeli bir otomobil motorunun yanma odası içerisindeki püskürtme gelişimini ve sıvı film oluşumunu düşük sıcaklıkta çalışma koşulunda Star-CD/ES-ICE yazılımı ile detaylı bir HAD analiziyle incelemişlerdir. D Errico ve Lucchini [9], çok bölgeli termo-akışkan dinamik yanma modelini, motor performansı ve emisyonları için geliştirmeye çalışmışlardır. Uygulama olarak hem benzin ile hem de sıkıştırılmış doğal gaz (CNG) ile çalışan bir motor modellenmiştir. Ayrıntılı bir kimyasal kinetik yaklaşımla 1 den fazla durum için laminer alev hızı korelasyonu geliştirilmiş ve türbülanslı, ön karışımlı yanma mekanizması detaylı olarak incelenmiştir.

3 Zhao ve ark. [1], detaylı kimyasal kinetik analiz ile izo-oktan yakıtı için geliştirdikleri tek bölgeli yanma modelinde, dört zamanlı buji ile ateşlemeli motorda çeşitli parametrelerin (dolgu giriş sıcaklığı, EGR, hava/yakıt oranı, sıkıştırma oranı ve motor hızı) HCCI yanması üzerine etkilerini incelemişlerdir. Çalışmalarında, HCCI yanma sürecinde EGR nin ısı kapasitesi, silindir içi dolguyu ısıtıcı etkisi, silindir içi dolguyu seyreltici etkisi ve kimyasal etki gibi dört önemli etkisi bulunduğunu tespit etmişlerdir. Literatürde ateşleme avansı ile ilgili sayısal ve deneysel çalışmalar bulunmaktadır. Bu çalışmada ise; ateşleme avansının hem motor performansına ve hem de egzoz emisyonlarına etkileri örnek bir dört silindirli motorun tek silindiri için bir bütün halinde sayısal olarak incelenmiştir. Ateşleme avansı; devir sayısı, sıkıştırma oranı, havayakıt karışım oranı gibi parametrelere bağlı olarak ayarlanmaktadır. Burada hedeflenen durum, kayıpları en düşük seviyeye indirgeyerek diğer zamanlar için en yüksek basınç kuvveti pozisyonunu sağlayacak durum için ateşleme avans değerinin belirlenmesidir. Çünkü maksimum motor verimi piston üst ölü noktayı yaklaşık 1º KMA kadar geçtiği anda silindir içerisinde maksimum basıncın elde edilmesiyle sağlanabilir. Devir sayısı, sıkıştırma oranı ve hava-yakıt karışım oranı parametreleri alevin silindir içerisinde sergileyeceği davranışı ve yanmanın verimini önemli ölçüde etkilemektedir. Bu çalışmada, izo-oktan kullanılan buji ateşlemeli dört silindirli motora ait yanma odasının hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) modeli oluşturulmuştur. Model kullanılarak krank mili açısı cinsinden 65º - 71º KMA arasındaki yedi farklı ateşleme avansı değeri için inceleme yapılmıştır. Modelde, ateşleme avans değerini belirleyici olan devir sayısı, sıkıştırma oranı ve hava-yakıt karışımı oranı sabit tutulmuştur. Böylece, ateşleme avansına ait krank mili açısı değiştirilerek, ateşleme avansının motor performansına ve egzoz emisyonlarına etkileri sayısal olarak belirlenmiştir. Nihai olarak, motordan elde edilen güç açısından en uygun ateşleme avansı değeri belirlenmiştir. 2. HAD MODELİ Modelleme çalışmasında ilk olarak motor silindirine ve bileşenlerine (emme-egzoz manifold bağlantıları, emme-egzoz supapları, silindir, silindir kafası, piston, buji) ait geometri (Şekil 1) oluşturulmuştur. Her bir silindirde iki emme ve iki egzoz supabı bulunmaktadır. Zamana bağlı çözümlemenin başlangıcı olarak supapların kapalı olduğu an referans alınarak geometri modellenmiştir. Geometri simetrik olduğundan, yarısı modellenmiş ve çözüm ağı oluşturulmuştur. Modellenen yanma odası bölgesindeki supaplar ve piston tepe bölgesi motor zamanlarına bağlı olarak hareket edecek şekilde ağ yapısı üzerinde hareketli bölgeler olarak tanımlanmıştır. Ortalama 15-3 arasında değişen eleman sayısı ve 16 çekirdekli bir çözümleyici kullanılmiş olup, her bir ateşleme avansı değeri için yaklaşık 1 saat süren çözümlemeler gerçekleştirilmiştir. Oluşturulan modelde analizler 32º KMA değerinden başlayıp 18º KMA açısı değerine kadar olan çevrim aralığında gerçekleştirilmiştir. Sıkıştırma zamanı sonunda yani 72º KMA değerinde piston üst ölü noktaya ulaşmaktadır. Belirtilen çevrimde, ateşleme avansına ait krank mili açısı 65º 71º KMA aralığında 1º KMA aralık ile değiştirilerek yedi farklı ateşleme avansı için analizler gerçekleştirilmiştir. Şekil 1. Şematik model CAD görüntüsü ve tanımlamaları Tüm analizlerde; devir sayısı 36 d/dk, sıkıştırma oranı 1, silindir çapı 64 mm, strok uzunluğu 7 mm, biyel kolu uzunluğu 149 mm, hava fazlalık katsayısı 1.3 olarak alınmıştır. Yakıt olarak izo-oktan, yanma modeli olarak ECFM-3Z modeli ve silindir içi EGR oranı olarak %5 kullanılmıştır. Manifold ve supap yüzeyleri adyabatik olarak tanımlanmıştır. Diğer yüzeyler için malzeme açısından literatürde belirtilen genel sıcaklık tanımlamaları kullanılmıştır. Bunlar; yanma tepe bölgesi (45 K), piston tepe bölgesi (55 K), silindir duvarı bölgesi (5 K) ve buji bağlantı yüzeyi (6 K) sıcaklık değerleridir [11]. Hava-yakıt karışımı silindir içerisine önkarışımlı olarak gönderilmiştir. Türbülans modeli olarak k-ε RNG türbülans modeli ve duvar fonksiyonu olarak Angelberger duvar fonksiyonları kullanılmıştır. Zamana bağlı analizlerde, çözümleme zaman adımı.1º KMA olarak tanımlanmıştır. Her.1º KMA değerinde elde edilen tüm çözüm parametreleri (basınç, sıcaklık, emisyonlar, vb.) sonuç dosyasına kaydedilmiştir.

4 Basınç (kpa) Yanma modellemesi için kullanılan ECFM-3Z modeli (Extended Coherent Flame Model-3 Zone Üç Bölgeli Genişletilmiş Tümleşik Alev Modeli); çözüm bölgesinde bölgesel katmanlaşmaları hesaba katarak çözüm hacmini bölgelere ayırmaktadır. Karışım bölgesi; karışmamış yakıt bölgesi, karışmamış hava ve silindir içi kalıntı gaz bölgesi ve karışmış gazların oluşturduğu bölge olarak tanımlanır. Tanımlı olan üç farklı bölge içinde kütle değişimi yazılım tarafından çözülmektedir. Karışım bölgelerinin yanmış gazları bulunduran kısmında gelişmiş alev sonrası kimya modeli ile çözümleme, yanmamış gazları bulunduran kısmında ise kendiliğinden ateşleme modeli vasıtasıyla ECFM yanma modeli çözülmektedir. Bu modelde yanmanın her safhasında alev ilerlemesi, ateşleme ve alev sonrası emisyonlar; karışım bölgesindeki gazlar referans alınarak hesaplanmaktadır. Ayrıca bu model bünyesinde; is kimyası, kök oluşum kimyası gibi birçok reaksiyon setini bulundurmakta ve çözümlemede bu kimyasal reaksiyon setlerinden faydalanılmaktadır. Model için gerekli tüm tanımlamalar yapıldıktan sonra analizler yakınsama sağlanana kadar çalıştırılmış ve çözümler elde edilmiştir. Elde edilen çözümler kullanılarak, hesaplanan parametreler için sonuç grafikleri oluşturulmuş ve aşağıda değerlendirilmiştir. 3. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME Geometrinin oluşturulması, çözüm ağı üretilmesi, sınır-başlangıç şartlarının ve modellemede kullanılacak yaklaşımların tanımlanmasının ardından, analizler 32º 18º KMA için gerçekleştirilmiş ve sonuç grafikleri oluşturulmuştur. İlk olarak, ateşleme avansı değişiminin silindir içi basınca etkisi Şekil 2 de gösterilmiştir. Tüm ateşleme avansları için sıkıştırma ile artan basınç, ateşleme avansı açısından itibaren hızla artmakta ve tepe noktasına ulaştıktan sonra düşmektedir. Görüldüğü gibi, ateşleme avansı üst ölü noktadan (72º KMA) uzaklaştıkça silindir içi basınç artmaktadır. Çünkü ateşleme üst ölü noktaya yakın yapıldığında yanma işleminin gerçekleşmesi için yeterli süre kalmamaktadır ve yanmanın etkinliği azalmaktadır. Ateşleme avansının üst ölü noktaya çok yakın ayarlanmış olması, genişleme strokuna geçilmesi sebebiyle alevin tam olarak tüm silindir içerisindeki noktalara ulaşamamasına ve hacim genişlemesi nedeniyle güçlü bir basınç oluşumunun gerçekleşememesine neden olmaktadır. Burada, en düşük ateşleme avansında (65º KMA) en yüksek silindir içi basıncın oluştuğu görülmektedir. Ancak nihai etki olarak elde edilecek motor gücü için, sadece silindir içi basıncın yüksekliğini ve sıcaklık yüksekliğini dikkate almak yeterli olmayacaktır. Silindir içi basınç hacim değişimi olan indikatör diyagramının da dikkate alınması gerekecektir. Şekil 3 de analizi yapılan tüm ateşleme avansları için çevrim boyuncaki basınç hacim değişimi yani indikatör diyagramı çizilmiştir. Şekil 3 deki indikatör diyagramı kullanılarak net iş alanları hesaplanmıştır ve en büyük net iş alanının 67º KMA ateşleme avansında gerçekleştiği belirlenmiştir. İlerde değerlendirileceği gibi, ateşleme avansı 67º KMA dan uzaklaştıkça net iş düşmektedir. Burada önemli husus, kayıpları en düşük seviyeye indirgeyip diğer çevrim zamanları için en yüksek indike basıncın sağlanacağı durum için ateşleme avansı değerinin belirlenmesidir. Silindir içi sıcaklık değişimi Şekil 4 de verilmiştir. Tüm ateşleme avansları için sıkışma ile artan silindir içi sıcaklık, ateşleme anından itibaren hızla artmakta ve tepe noktasına ulaştıktan sonra daha düşük bir eğimle azalmaktadır. Görüldüğü gibi, 65º KMA ateşleme avansından 71º KMA değerine kadar silindir içi sıcaklıkta düşüş görülmektedir. Ateşleme avansı 71º KMA hariç, sıcaklık değişimleri daha benzer yapıdayken, 71º KMA değeri için sıcaklık daha fazla düşüş göstermekte ve sıcaklık eğrisi diğer sıcaklık eğrilerine göre farklı bir davranış sergilemektedir. Burada, 71º KMA ateşleme avansında piston sıkıştırma strokunu tamamlamak üzeredir ve üst ölü noktaya çok yakındır. Bu durumda buji bölgesinde alev çekirdeğinin oluşumu ve bu çekirdeğin büyüyerek önce laminer alev davranışı ve devamında türbülanslı alev davranışı izleyerek silindir içerisindeki tüm noktalara ulaşması için yeterli zaman olmamaktadır. Tüm ateşleme avansları için üst ölü nokta anında bujiden silindir duvarına kadar olan kesitdeki eşsıcaklık dağılımı Şekil 5 de karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Oluşan alev küreciği gelişirken önünde yer alan gaz hacmini ısıtarak sıcaklığını yükseltecek ve ön reaksiyonların gerçekleşmesini sağlayarak zincirleme reaksiyonlar gerçekleştirerek gelişimini tamamlayıp silindir duvarına kadar ulaşmış olacaktır Şekil 2. Silindir içi basınç değişimi

5 Sıcaklık (K) Basınç (kpa) ,E-5 1,E-4 1,5E-4 2,E-4 2,5E Hacim (m3) Şekil 3. İndikatör diyagramları Şekil 4. Yanma odası sıcaklık değişimi Şekil KMA Konumundaki silindir içi sıcaklık dağılımı

6 içerisinden atılan karbondioksit miktarı düşük seviyede, oksijen miktarı ve yakıt miktarı yüksek seviyededir. Bu durum Şekil 6, Şekil 7 ve Şekil 8 de verilmiş olan grafiklerde tutarlı olarak görülmektedir. 6,E-5 5,E-5 4,E-5 Oksijen (kg) Şekil 5 deki eş-sıcaklık grafiklerden de görüldüğü gibi 71º KMA için silindir kafa bölgesi ve piston tepe bölgesinde sıcaklıklar diğerlerine göre düşük seviyededir. Bu 71º KMA değerinde, piston üst ölü noktaya çok yakındır ve birkaç milisaniye içerisinde piston üst ölü noktayı geçerek alt ölü noktaya doğru harekete başlayacaktır. Genişleme stroğu ile birlikte hacimdeki genişleme nedeniyle alev tam olarak silindir duvarına ulaşamadan sönme eylemi gösterecek ve yanmanın tam olarak gerçekleşememesi nedeniyle piston üzerine yüksek bir basınç etki edemeyecektir. Silindir içi yakıt değişimi Şekil 6 da çizilmiştir. Ateşleme avansının üst ölü noktaya en yakın olduğu konumda (71º KMA), çevrim tamamlanmış olmasına rağmen silindir içerisinde kalan yakıt diğer ateşleme konumlarına göre daha fazladır. Yanmamış yakıt, egzoz strokunun sonunda silindir içerisinden dışarı atılmaktadır. Analizlerde hava fazlalık katsayısının 1.3 olduğu da dikkate alınırsa, ki bu durum yanma için yeterince havanın silindire alınmış olması durumudur, ateşleme avansının 71º KMA konumu için yanma süresinin minimize olması nedeniyle kısmi eksik yanmanın gerçekleştiği görülmektedir. 3,E-5 2,E-5 1,E ,E-6 6,E-6 Karbondioksit (kg) Yakıt (kg) ,E ,5E-5 3,5E-5 66 Şekil 7. Silindir içi oksijen değişimi 4,E-5 6 1,4E-5 1,2E ,E-5 2,5E-5 2,E-5 1,5E-5 1,E-5 4,E-6 5,E-6 2,E Şekil 6. Silindir içi yakıt değişimi Analizlerden elde edilen emisyon değerleri; oksijen için Şekil 7, karbondioksit için Şekil 8, azotoksit için Şekil 9 da gösterilmiştir. Şekil 7 de gösterilen silindir içi oksijen miktarı tüm ateşleme avansları için genel olarak emme zamanında artmakta, sıkışma zamanında sabit kalmakta ve ateşleme ile birlikte azalmaktadır. Ateşlemenin gerçekleştiği KMA arttıkça, silindir içi oksijen miktarı, ateşlemeden sonra daha yavaş azalmaktadır. Çünkü yanma tam olarak gerçekleşememektedir. Ateşleme avansı 71º KMA için Şekil 8 de görülen en düşük karbondioksit miktarı, yanmanın verimsiz ve eksik gerçekleştiğini göstermektedir. Reaksiyonların tam olarak gerçekleşememesi nedeniyle egzoz zamanında silindir Şekil 8. Silindir içi karbondioksit değişimi Azotoksit oluşumunun ateşleme avansı değişimiyle olan ilişkisinin incelenebileceği Şekil 9 da, ateşleme avansı 71º KMA konumu için, silindir içi sıcaklık düşük olduğundan azotoksit oluşumunun düşük gerçekleştiği görülmektedir. Çünkü üst ölü noktaya çok yakın yapılan bu ateşlemede yanma bitmeden genleşme başladığından sıcaklık yükselmemektedir. Azotoksit oluşumunun düşük olması her ne kadar istenen bir durum olsa da, 71º KMA değerinde motordan elde edilen gücün düşük olması ve yanmamış yakıt miktarının fazla olması nedeniyle incelenen 36 d/dk için etkin olmayan bir ateşleme avansı değeri olduğu açık bir şekilde görülmektedir. Ateşleme avansı 65º KMA konumunda silindir içi sıcaklık yüksek olmakta ve yanma için daha fazla süre bulunmaktadır.

7 Yüksek sıcaklık ve yeterli süre nedeniyle de azotoksit miktarı en yüksek seviyelere ulaşmaktadır. Azotoksit(kg) Net İndike İş (kj) 2,5E-6 2,E-6 1,5E-6 1,E-6 5,E Şekil 9. Silindir içi azotoksit değişimi Analizlerden her.1º KMA değeri için elde edilen sonuçlar ve indikatör diyagramları kullanılarak; net indike iş, indike ortalama basınç ve indike güç değerleri tüm ateşleme avansları için hesaplanmış ve grafikleri sırasıyla Şekil 1, Şekil 11 ve Şekil 12 de verilmiştir. Tüm ateşleme avansları karşılaştırıldığında tanımlanmış olan şartlar için motor gücü açısından en uygun değerin 67º KMA olduğu görülmekte ve bu değer için tüm performans ve emisyon grafikleri bu sonucu desteklemektedir. Ateşleme avansı 67º KMA dan küçük olduğunda net indike işin ve gücün düşük olmasının sebebi, piston üst ölü noktaya ulaşıncaya kadar ve dolayısıyla yanmanın gerçekleşebilmesi için daha uzun süre bulunmasına rağmen özellikle indikatör diyagramında görüldüğü gibi (Şekil 3) basınç hacim değişiminin fonksiyonu olarak net indike iş alanının daha düşük olmasıdır. En uygun ateşleme avans değeri, indike ortalama basınç oluşumu ve yanmanın üst ölü noktaya ulaşana kadar gösterdiği davranış göz önünde bulundurularak belirlenmelidir. İndikatör diyagramları incelendiğinde, 65º KMA değerinde yanmanın erken gerçekleşmesi nedeniyle silindir basıncı yüksek seviyelere ulaşmakta ve bu durum pistonun üst ölü noktaya olan hareketini zorlaştırmaktadır. Bu durum, genişleme strokunda iş kaybına neden olur ve Şekil 3 de ki grafikte iş alanındaki kayıp açık olarak görülmektedir. Ayrıca ateşleme avansı değeri belirlenirken üst ölü noktadan uzaklaşıldıkça basınç ve sıcaklığın artması nedeniyle silindir içerisinde vuruntu oluşumu ihtimali de artırılmış olacaktır. Ateşleme avansı 67º KMA dan büyük olduğunda net indike işin ve gücün düşük olmasının sebebi ise, yanma süresindeki azalma ve yanmanın genişleme stroğuna sarkmasından dolayı yine indikatör diyagramında görüldüğü gibi (Şekil 3) basınç hacim değişiminin fonksiyonu olarak net indike iş alanının azalmasıdır. Ateşleme avansı üst ölü noktaya yaklaştıkça (72º KMA); yanma genişleme stroğuna sarktığından yanmanın tetiklediği basınç yükselmesi gerçekleşememektedir. Bu durum, Şekil 3 deki indikatör diyagramında görüldüğü gibi net indike iş alanını küçültmektedir. Şekil 1, 11, 12 de gösterilen net indike iş, indike ortalama basınç ve indike güç değerleri inceleme yapılan ateşleme avansı 65º-71º KMA aralığında, tepe noktası 67º KMA da olan parabolik bir davranış sergilemiştir. Sonuç olarak ateşleme avansının motor performansı ve emisyon değerleri için çok önemli bir parametre olduğu görülmektedir. Ateşleme açısının değeri belirlenirken en önemli kriter; piston üzerindeki maksimum basıncın üst ölü noktadan hemen sonra oluşmasıdır. Bu çalışmada kullanılan şartlar için en iyi sonuçlara 67º KMA açısında gerçekleştirilen ateşleme ile ulaşıldığı tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçların sabit 36 d/dk için geçerli olduğu hatırlanmalıdır. Modellemede kullanılan 36 d/dk hızı için milisaniyeler mertebesinde gerçekleşen çevrim süreleri, daha düşük devirlerde gerçekleşen çevrim sürelerine göre daha kısadır. Yani piston alt ölü noktadan üst ölü noktaya 36 d/dk değerinde daha düşük devir sayılarına göre daha kısa sürede ulaşmaktadır ki bu durumda direkt olarak yanma işleminin gerçekleşmesi için gerekli olan süreyi kısaltmaktadır. Bu durumda, ateşleme avansı üst ölü noktadan uzaklaştıkça sisteme yanmanın tamamlanması için yeterli süre sağlanmış olacaktır. Modellemeler sonucunda ulaşılan sonuçlar bu durumu desteklemektedir. Elde edilen sonuçlar motorun devir sayısının bir fonksiyonu olacaktır. Motorun devir sayısı 36 d/dk için piston hızı 9.6 m/s mertebesinde iken, 15 d/dk için 4 m/s mertebesindedir. Dolayısıyla her devir sayısı için optimum ateşleme avansının belirlenmesi bir gereklilik olarak ortaya çıkmaktadır.,22,2,18,16,14,12, Şekil 1. Net indike iş ateşleme avansı değişimi

8 İndike Ortalama Basınç (kpa) İndike Güç (kw) Şekil 11. İndike ortalama basınç ateşleme avansı değişimi Şekil 12. İndike güç ateşleme avansı değişimi Yapılan sayısal çalışmada elde edilen tüm sonuçlar değerlendirildiğinde; motor belli bir devir sayısında çalışırken ateşleme avansının artırılması durumunda yani erken ateşleme yapıldığı takdirde, sıkıştırma stroku ve yanmanın basıncı ortaklaşa artırma süreci daha önce başlamış olacaktır. Bu çalışmada incelenen şartlar için motor performansı ve emisyonlar açısından en uygun ateşleme avansı açısı 67º KMA olarak belirlenmiştir. Günümüz teknolojisinde araçlarda, değişken devirler ve çalışma şartları için ateşleme avansı değiştirilerek motordan her çalışma durumu için yüksek performans elde edilmeye çalışılmaktadır. Bu çalışmanın devamında; devir sayısı, silindir içi buji yerleşimi, hava fazlalık katsayısı, alternatif yakıt ilaveleri, yanma odası geometrileri gibi parametrik değişimler yapılarak ateşleme avansının etkilerinin incelenmesi planlanmaktadır. 4. KAYNAKÇA 1. Salimi F., Shamekhi A.H. and Pourkhesalian A.M., "Role of Mixture Richness, Spark and Valve Timing in Hydrogen - Fuelled Engine Performance and Emission", International Journal of Hydrogen Energy, 34(9), pp , Raine R., Stone C., and Gould J., "Modeling of Nitric Oxide Formation in Spark Ignition Engines with a Multizone Burned Gas", Combustion and Flame, 12(3), pp , Erkuş B., Karamangil M.İ., and Sürmen A., "Enhancing the Heavy Load Performance of a Gasoline Engine Converted for LPG Use by Modifying the Ignition Timings", Applied Thermal Engineering, Vol. 85, pp , Chan S.H. and Zhu J., "Modelling of Engine In- Cylinder Thermodynamics Under High Values of Ignition Retard", International Journal of Thermal Sciences, 4(1), pp , Gürbüz H. and Akçay İ.H., "Buji Ateşlemeli Hidrojen Motorunda Ateşleme Avansı ve Sıkıştırma Oranının Performans ve NOx Emisyonuna Etkisi". Politeknik Dergisi, 16(1), Topgül T. and Yücesu H.S., "Buji ile Ateşlemeli Bir Motorda Çalışma Parametrelerinin Egzoz Emisyonlarına Etkilerinin Deneysel Olarak İncelenmesi", Politeknik Dergisi, 8(1), Choi H., Kim H., Min K. and Lee J., "The Stratified Combustion Model of Direct-Injection Spark- Ignition Engines", Proceedings of The Combustion Institute, 29(1), pp , Malaguti S. and Fontanesi S., "CFD Investigation of Fuel Film Formation Within a GDI Engine Under Cold Start Cranking Operation", ASME 29 Internal Combustion Engine Division Spring Technical Conference, ICES , pp , D'Errico G. and Lucchini T., "A Combustion Model with Reduced Kinetic Schemes for SI Engines Fuelled with Compressed Natural Gas", SAE Technical Paper, / , Zhao H., Peng Z., Williams J. and Ladommatos N., "Understanding the Effects of Recycled Burnt Gases on the Controlled Autoignition (CAI) Combustion in Four-Stroke Gasoline Engines", SAE Technical Paper, / , Dreger, S., Mahle GmbH, "Pistons and Engine Testing", ATZ/MTZ-Fachbuch, pp , 212.